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一种用于拱桥的拱桥涡振控制建筑膜结构
技术领域：
本发明涉及桥梁工程和防灾工程领域，具体地说是一种安装在下承式或中承式拱桥上的拱桥涡振控制建筑膜结构。
背景技术：
目前，国内外大跨度下承式或中承式拱桥大多采用透风率较高的桁架拱肋，而实体式拱肋具有施工方便、结构可靠、耐久性强等优点。但是实体式拱肋一般都存在涡激振动问题，必须采取一定的措施来控制拱肋涡振，而现有技术无法进行有效的涡振控制。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种改进的用于拱桥的拱桥涡振控制建筑膜结构，它可克服现有技术中无法有效地控制下承式或中承式拱桥的实体式拱肋涡激共振的一些不足。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于拱桥的拱桥涡振控制建筑膜结构，它主要包括拱肋和设在拱肋之间的横撑，其特征在于：拱肋的截面顶部设有建筑膜结构，建筑膜结构由膜支撑架和设在膜支撑架上的膜体系构成。
使用时本发明在拱肋截面顶部设置建筑膜结构，该膜结构由膜支撑架和膜体系组成，能够有效控制拱肋涡振。采用流体动力学数值模拟分析结果表明，可以减小涡振振幅61％，其涡振控制机理在于迎风侧拱肋顶面和底面的两个大涡被中间隔板隔离，使得上下两个涡产生的涡激力因相反的旋转方向和不同的相位差而有所相互抵消，可以有效地控制下承式或中承式拱桥的实体式拱肋涡激共振。
附图说明：
图1为现有技术的拱肋断面示意图
图2为现有技术的拱肋断面控制措施示意图
图3为中间2米高的板的拱肋断面控制措施示意图
图4为底部2米高的板的拱肋断面控制措施示意图
图5为底部2米高的板的拱肋断面控制措施示意图
图6为底部4米高的稳定板的拱肋断面控制措施示意图
图7为底部4米高的稳定板的拱肋断面控制措施示意图
图8为整体铺板的拱肋断面控制措施示意图
图9为现有技术拱肋断面流态显示图
图10为本发明拱肋断面流态显示图
图11为本发明使用状态参考图
图12为图11中的A部建筑膜结构的放大示意图
图13为图12中的B部膜支撑架的放大示意图
图14为膜支撑架的又一结构示意图
表1斯特罗哈数和涡振振幅的数值模拟结果
表2涡振振幅和相应风速的风洞试验结果
以下给出表1、表2的具体测试结果
表1斯特罗哈数和涡振振幅的数值模拟结果

编号拱肋布置  斯脱罗  哈数  A  (z_max/H)图2图3图4 图5 图6 图7 图8图9原断面中间2米高的板底部2米高的板(H)底部2米高的板(V)底部4米高的稳定板底部4米高的稳定板4米的导流板整体铺板  0.156  0.220  0.137   0.137   0.137   0.156   0.175  0.156  0.028  0.025  0.034   0.032   0.032   0.017   0.023  0.011
表2涡振振幅和相应风速的风洞试验结果
  施工状态  控制措施  风速  (m/s)         频率       幅值(L/2)       幅值(L/4)  f_v(Hz)  f_l(Hz)  y_v(m)  y_l(m)  y_v(m)  y_l(m)  最大悬臂  原断面  16.3  26.3  0.393  0.393  0.408  0.408  0.813  0.656  0.308  0.272  0.216  0.176  -  -  加措施  17.5  25.0  0.393  0.393  0.408  0.408  0.590  0.333  0.237  0.144  0.166  0.100  -  -  拱肋合拢  原断面  31.3  33.8  0.679  0.679  0.441  0.441  0.115  -  -  0.105  0.634  -  -  0.070  加措施  33.8  0.679  0.441  0.066  0.074  0.358  -  全桥成桥  原断面  17.5  35.0  0.368  0.368  0.040  0.135  0.164  0.588  加措施  17.5  32.5  0.368  0.368  0.067  0.047  0.070  0.239
拱桥涡振控制建筑膜结构是采用计算流体动力学数值模拟方法，从七种涡振控制措施中比选获得的。原拱肋截面和七种涡振控制措施的数值模拟主要结果——斯特罗哈数S_t＝fH/U(f表示频率，H表示拱肋高度，U表示风速)和相对涡振振幅A＝z_m/H(z_m表示最大涡振振幅)列于表1中，不难发现，七种控制措施中，只有图3、图7、图8和图9四种方法能够或多或少地减小涡振振幅，而最有效的方法是图9，其振幅减小了61％。
为了进一步揭示产生涡激振动的机理和涡振控制的机理，采用计算流体动力学数值模拟流态显示方法，对原拱肋断面(图2)和最有效控制措施(图9)进行了流态对比分析。对于原拱肋断面，迎风侧拱肋顶面和底面处形成两个大尺度的涡旋，并逐渐合并成一个尺度更大、能量更高的涡，正是由于该涡的存在才导致了涡激共振。。采用控制措施后，虽然迎风侧拱肋顶面和底面处仍会有涡产生，但是这两个大涡被中间隔板分隔，使得上下两个涡产生的涡激力因相反的旋转方向和不同的相位差而相互抵消，如图11所示。从这两张流态显示图上可以更深入地理解涡激振动和涡振控制的机理。
为了验证拱桥涡振控制建筑膜结构的上述数值模拟结果，以上海卢浦大桥为例，采用1∶100的几何缩尺比进行了全桥气弹模型风洞试验，并分别模拟了拱肋最大悬臂、拱肋合拢状态和全桥成桥状态等三种结构形式。该风洞试验包括三种结构形式、均匀流和紊流两种流场、有无控制措施两种状态等多种工况，表2列出了拱肋跨中(L/2)和四分点(L/4)处竖弯和侧弯最大涡振位移试验结果，不难发现，采取涡振控制措施后的全桥成桥状态的涡振振幅减小了57％。
为了将上述通过数值模拟和风洞试验确定的最有效涡振控制措施——图9付诸工程应用，设计了拱桥涡振控制建筑膜结构，该结构分割成多块，每一块布置在两片拱肋和两道风撑所形成的矩形或梯形曲面上，每个矩形或梯形曲面的膜结构由膜支撑架和膜体系组成。
膜支撑架由3根交汇钢构件组成如图13所示，每根构件的轴线均为对称弧线，跨中最大高度(矢高f)按跨径l的1/6至1/8取值，即f＝l/6～l/8，最大跨径不宜超过40m，膜支撑架的设计荷载可按膜面设计风压竖直向上p_s＝0.8kPa和竖直向下p_x＝0.8kPa取值，根据设计荷载和跨径大小可以设计膜支撑架的钢构件尺寸以及交汇点和两端的连接方式。
膜体系为复杂空间曲面，中间支撑在膜支撑架上，四边与拱肋和风撑硬边连接，形成单拱双曲组合形。单拱双曲组合形的单拱拱高与膜支撑架的矢高一致，双曲组合图形形式可以根据建筑要求选定，最大膜面设计风压可按p＝±0.4kPa取值。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
本发明主要包括拱肋1和设在拱肋之间的横撑2，其与现有技术的区别在于：肋拱的截面顶部设有建筑膜结构，建筑膜结构由膜支撑架3和设在膜支撑架上的膜体系构成，能够有效控制拱肋涡振。采用流体动力学数值模拟分析结果表明，可以减小涡振振幅61％，其涡振控制机理在于迎风侧拱肋顶面和底面的两个大涡被中间隔板隔离，使得上下两个涡产生的涡激力因相反的旋转方向和不同的相位差而有所相互抵消。以上海卢浦大桥为例的全桥气弹模型风洞试验结果表明，全桥成桥状态的涡振振幅可以减小57％(如表2所示)。建筑膜结构设置在两片拱肋和两道横撑所构成的矩形或梯形曲面上，梯形两条平行边的最大边长小于等于40m，梯形两条相等的腰长小于等于40m。膜支撑架由3根交汇的钢构件4组成，钢构件的两端分别与两片拱肋相连，每根钢构件均为弧形，钢构件的跨中高度为跨径的1/6～1/8，跨径小于等于40m，膜支撑架的设计荷载可按整个膜面上所受的风压来计算，其中最大竖直向上风压p_s＝0.8kPa、最大竖直向下风压p_x＝0.8kPa取值，根据设计荷载和跨径大小可以设计膜支撑架的钢构件尺寸以及交汇点和两端的连接方式，并将膜支撑架首先固定在拱肋和风撑上。膜体系的中间支撑在膜支撑架上，膜体系的四边与拱肋和横撑相连接，形成单拱双曲组合形，其中单拱拱高与膜支撑架的矢高一致，最大膜面设计风压可按p＝±0.4kPa取值。单拱中心高度为钢构件跨径的1/6～1/8，膜体系的展开面积小于等于1600m²。其中膜材应选择轻质高强的高分子复合材料，并具有良好的自洁性和防火性能。